Ett team av astronomer från National Center for Radio Astrophysics (NCRA-TIFR) i Pune, och Raman Research Institute (RRI), i Bangalore, har använt Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) för att mäta det atomära vätgasinnehållet i galaxer för 9 miljarder år sedan, i det unga universum. Detta är den tidigaste epok i universum för vilken det finns en mätning av atomärt väteinnehåll i galaxer. Det nya resultatet är en avgörande bekräftelse på gruppens tidigare resultat, där de hade mätt atomärt väteinnehåll i galaxer för 8 miljarder år sedan, och driver vår förståelse av galaxer till ännu tidigare i universum. Den nya forskningen publiceras i numret 2 juni 2021 av The Astrophysical Journal Letters .

Galaxer består mestadels av gas och stjärnor, med nya stjärnor som bildas från den befintliga gasen under en galaxs liv. Stjärnor bildades mycket oftare när universum var ungt än vad de gör idag. Astronomer har vetat i mer än två decennier att stjärnbildningsaktiviteten i galaxer var som högst för cirka 8-10 miljarder år sedan, och har därefter minskat stadigt. Tills nyligen, orsaken till denna nedgång var okänd, mest för att vi inte har haft någon information om mängden atomär vätgas, det huvudsakliga bränslet för stjärnbildning, i galaxer vid dessa tidiga tider. Detta förändrades förra året när ett team av astronomer från NCRA och RRI, inklusive några av författarna från denna studie, använde den uppgraderade GMRT för att erhålla den första mätningen av det atomära vätgasinnehållet i galaxer för cirka 8 miljarder år sedan, när universums stjärnbildningsaktivitet började avta. De fann att den troliga orsaken till nedgången i stjärnbildningen i galaxer är att galaxerna höll på att ta slut på bränsle.

Aditya Chowdhury, en Ph.D. student vid NCRA-TIFR, och huvudförfattaren till både den nya studien och den 2020, sa, "Våra nya resultat är för galaxer vid ännu tidigare tidpunkter, men fortfarande mot slutet av epok av maximal stjärnbildningsaktivitet. Vi finner att galaxer för 9 miljarder år sedan var rika på atomgas, med nästan tre gånger så mycket massa i atomgas som i stjärnor. Detta skiljer sig mycket från galaxer idag som Vintergatan, där gasmassan är nästan tio gånger mindre än massan i stjärnor."

Mätningen av den atomära vätgasmassan gjordes genom att använda GMRT för att söka efter en spektrallinje i atomärt väte, som endast kan upptäckas med radioteleskop. Tyvärr, denna 21 cm-signal är mycket svag, och därför nästan omöjligt att upptäcka från enskilda galaxer på så stora avstånd, cirka 30 miljarder ljusår från oss, även med kraftfulla teleskop som GMRT. Teamet använde därför en teknik som kallas "stapling" för att förbättra känsligheten. Detta gjorde det möjligt för dem att mäta den genomsnittliga gashalten på nästan 3, 000 galaxer, genom att kombinera deras 21 cm-signaler.

"Observationerna av vår studie utfördes för cirka 5 år sedan, innan GMRT uppgraderades 2018. Vi använde de ursprungliga mottagarna och elektronikkedjan för GMRT före uppgraderingen, som hade en smal bandbredd. Vi kunde därför bara täcka ett begränsat antal galaxer; det är därför vår nuvarande studie täcker 3000 galaxer, jämfört med 8, 000 galaxer av vår studie 2020 med den bredare bandbredden av den uppgraderade GMR, " sa Nissim Kanekar från NCRA-TIFR, en medförfattare till studien.

Barnali Das, ytterligare en Ph.D. student vid NCRA-TIFR, Lagt till, "Även om vi hade färre galaxer, vi ökade vår känslighet genom att observera längre, med nästan 400 timmars observationer. Den stora mängden data gjorde att analysen tog lång tid."

"Stjärnbildningen i dessa tidiga galaxer är så intensiv att de skulle förbruka sin atomgas på bara två miljarder år. Och, om galaxerna inte kunde få mer gas, deras stjärnbildningsaktivitet skulle minska, och slutligen upphöra." sa Chowdhury. "Det verkar alltså troligt att orsaken till den minskande stjärnbildningen i universum helt enkelt är att galaxer inte kunde fylla på sina gasreservoarer efter någon epok, förmodligen för att det inte fanns tillräckligt med gas i deras miljöer."

"Reproducerbarhet är grundläggande för vetenskapen! Förra året, vi rapporterade den första mätningen av atomgasinnehållet i sådana avlägsna galaxer. Med nuvarande resultat, använder en helt annan uppsättning mottagare och elektronik, vi har nu två oberoende mätningar av atomgasmassan i dessa tidiga galaxer. Detta hade varit svårt att tro, även för några år sedan, sa Kanekar.

K.S. Dwarakanath från RRI, en medförfattare till studien, nämnde "Att upptäcka 21 cm-signalen från avlägsna galaxer var huvudmålet för GMRT, och fortsätter att vara en viktig vetenskapsmotor för att bygga ännu kraftfullare teleskop som Square Kilometer Array. Dessa resultat är extremt viktiga för vår förståelse av galaxens evolution."